«ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ —
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ НА СТЫКЕ ФИЗИКИ
И МЕХАНИКИ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА»
Из доклада академика В. Панина.
Идея многомасштабности явлений в твердых телах при их
пластической деформации и разрушении была сформулирована в
томской школе физики твердого тела как концепция структурных
уровней деформации твердых тел. Структурные уровни деформации
относятся к классу мезоскопических масштабов. Поэтому в
литературе их часто называют мезомасштабными уровнями деформации.
При этом не всегда осознается, что мезоскопический подход
является принципиально новой парадигмой, качественно отличной от
методологии механики сплошной среды (макромасштабный подход) и
теории дислокаций (микромасштабный подход).
Два прошедших десятилетия были связаны с интенсивной разработкой
мезомасштабного подхода к исследованию пластической деформации и
разрушения твердых тел. Они привели к формированию нового
научного направления — физической мезомеханики. В СО РАН в
данной области исследований принимают участие девять институтов:
ИФПМ, ИТПМ, ИГиЛ, ИГД, ИГФ ОИГГиМ, ИЗК, ИНХ, ИК, ИХТТМ. В рамках
интеграционных проектов работы ведутся совместно с ИПМ РАН и
ИМЕТМ РАН. Первые шесть международных конференций, посвященных
физической мезомеханике, были проведены на базе Института физики
прочности и материаловедения СО РАН (в г. Томске и близ озера
Байкал). На международной конференции «Mesofracture’96» в
г. Томске было предложено проводить данные конференции в разных
странах раз в два года. Такие конференции были впоследствии
проведены в Израиле, Китайской народной республике, Дании,
Японии. Конференция «Mesomechanics’2004» будет проходить в
Греции. С 1998 года в г. Томске на базе Института физики
прочности и материаловедения СО РАН издается на русском и
английском языках международный журнал «Физическая мезомеханика».
Экспериментальные и теоретические исследования мезоскопических
структурных уровней деформации привели к качественно новой
методологии описания деформируемого твердого тела как
многоуровневой самосогласующейся системы. Формирующиеся на
различных масштабных уровнях разориентированные субструктуры
являются масштабным инвариантом. Это лежит в основе построения
многоуровневой модели деформируемого твердого тела, в которой
учитывается вся иерархия масштабов структурных уровней
деформации.
Поверхностные слои и внутренние границы раздела играют важную
функциональную роль в зарождении деформационных дефектов и
рассматриваются как самостоятельные мезоскопические структурные
уровни деформации.
Физика в мезомеханике представлена рассмотрением структурных
превращений при зарождении деформационных дефектов и формировании
разориентированных субструктур на различных мезомасштабных
уровнях. В традиционных подходах теории дислокаций и механики
сплошной среды вклад изменения внутренней структуры в
сопротивление пластическому течению до сих пор не учитывался.
Многоуровневая модель деформируемого твердого тела в физической
мезомеханике описывается полевыми уравнениями, которые
качественно подобны уравнениям Максвелла в электродинамике. Это
подобие имеет глубокий физический смысл, отражая волновой
характер развития пластического течения по схеме
«сдвиг + поворот».
Физическая мезомеханика прошла лишь начальный этап своего
становления. В ближайшие десятилетия наиболее актуальными
направлениями работ в области физической мезомеханики следует
считать: разработку общей теории структурных фазовых переходов в
деформируемом твердом теле на основе синергетических
представлений неравновесной термодинамики и континуальной теории
дефектов; построение механики структурно-неоднородных сред,
адаптированной к инженерным расчетам материалов и конструкций;
построение физической мезомеханики разрушения, разработку на ее
основе методов диагностики нагруженных материалов и конструкций
на стадии предразрушения и оценки их остаточного ресурса работы;
приложение методов физической мезомеханики
структурно-неоднородных сред к проблемам современного
материаловедения, включая наноматериалы, тонкие пленки и
многослойные структуры, поверхностное упрочнение и нанесение
упрочняющих и защитных покрытий, функциональные материалы
различного назначения; разработку методов моделирования и
компьютерного конструирования материалов новых поколений на
основе физической мезомеханики структурно-неоднородных сред;
приложение методов физической мезомеханики к решению проблем
геодинамики, тектоники, прогноза землетрясений.
Новая парадигма физической мезомеханики будет основой
мультидисциплинарного подхода к решению актуальных проблем
материаловедения в ряде областей науки и техники: физике,
механике, химии, электронике, машиностроении, энергетике.
Рассмотрение в физической мезомеханике любой среды во внешнем
поле как многоуровневой системы принципиально изменяет круг
приложений данной науки и делает ее концептуально
мультидисциплинарной. Приведем несколько примеров.
В докладе чл.-корр. РАН С. Алексеенко сообщалось о нелинейных
волнах в тонких пленках жидкостей, стекающих по поверхности
твердого тела. Эти нелинейные волны проявляются как потоки
жидкости в виде двойных спиралей. В их основе лежит мезомеханика
взаимодействия тонкой пленки текущей жидкости и неподвижного
твердого тела. В мезомеханике материалов показано, что если в
поверхностном слое твердого тела создать наноструктуру, то при
растяжении такого твердого тела его наноструктурированные слои
испытывают пластическое течение также по схеме двойных спиралей.
Подобный механизм движения в виде нелинейных волн определяется
мезомеханикой взаимодействия тонкого поверхностного слоя как
вязкой среды и твердой кристаллической подложки. Мезомеханика
нелинейных волн оказывается универсальной для многих явлений на
поверхности, внутренних границах раздела, в тонких пленках и
многослойных материалах для электроники. Данное направление в
мезомеханике имеет многочисленные приложения в других науках.
При нагружении структурно-неоднородных сред важным
мезоскопическим уровнем деформации является движение отдельных
структурных элементов как целого по схеме «сдвиг+поворот». На их
границах раздела происходит фрагментация материала, которая
заканчивается возникновением разрывов среды. Подобные явления,
сопровождающиеся землетрясениями, развиваются в геологических
средах и описываются в геотектонике. В настоящее время в
Институте геофизики СО РАН под руководством академика С. Гольдина
проводится регулярный семинар по приложениям физической
мезомеханики к проблемам геодинамики и геотектоники.
Наконец, законы физической мезомеханики управляют многими
явлениями в живых организмах. В докладе акад. С. Багаева
сообщалось о вихревом характере движения крови в аорте и
лимфатической жидкости в лимфатических сосудах. Это явление
изучается в совместных работах Института лазерной физики и ИТПМ
СО РАН. Описать вихревое движение крови и лимфатической жидкости
можно только рассмотрением многоуровневой системы «поток
жидкости — стенка сосуда». В работах ИФПМ СО РАН показано, что подобное
вихревое пластическое течение происходит и в наноструктурных
твердых телах. При растяжении наноструктурной меди мезополосы
локализованной деформации распространяются по схеме
«сдвиг + локализованный вихрь + сдвиг +…». Такая нелинейная волна
описывается системой уравнений типа уравнений Максвелла для
распространения волн в диссипативной среде. Указанный тип
движения характерен для многих сред, в которых имеется источник и
необходимо обеспечить распространение потока на большие
расстояния в сугубо диссипативной среде.
Конечно, для каждой среды характерна своя специфика. Но есть
универсальные законы движения, которые и в XXI веке сохраняют
механике лидирующие позиции как мультидисциплинарной науки о
законах движения в окружающем нас мире.
стр. 7
| 
